Чувствительность детекторов ВВ и наркотиков. Сравнение данных измерений с расчетными данными

Sec.Ru – портал по безопасности

11 декабря 2013г.

Введение

Индустрия детекторов веществ повышенной опасности в настоящее время предлагает клиентам множество продуктов, предназначенных для оперативного обнаружения и распознавания взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС). Эти системы обнаружения являются узкоспециализированными в их способности детектировать в полевых условиях микроколичества (следы) веществ в виде их паров или микрочастиц. Для того чтобы сделать оптимальный выбор в пользу конкретного образца детектора, клиенты обычно требуют сравнение между различными системами. Несмотря на то, что имеется достаточно много параметров для сравнения, чувствительность детекторов оценивается одной из первых.

С целью проведения объективного сравнения, системы должны быть рассмотрены на равных условиях. Многочисленные технические решения для отбора проб и повышения эффективности детектирования различных веществ, может сделать прямое сравнение затруднительным.

Этот документ направлен на создание универсальных базовых условий для оценки чувствительности различных типов детекторов веществ повышенной опасности, независимо от применяемых технологий для отбора проб и проведения анализа.

Первым требованием при проведении сравнения различных детекторов на «равных условиях» является определение (четкое понимание) их основных параметров. Например, важно знать объемный расход исследуемого образца или объемный расход пробы (Rf) в процессе тестирования систем. Другим важным параметром является детектируемый объем системы (Vd), а также является (или нет) рассматриваемая система детектором непрерывного действия или детектором интеграционного типа. Этот последний параметр, а именно - тип детектора становится очень важным при дифференциации методов масс-детекции и концентрационной детекции. Он часто не учитывается при анализе результатов сравнительных испытаний детекторов, а это может привести к неправильному толкованию их обнаруживающей способности и производительности в целом.

Предлагается рассмотреть простой способ, чтобы иметь одинаковые (универсальные) условия при сравнении разных систем детектирования.

Оценка по массе образца вещества

Простейший подход к заданию универсальных условий для сравнения обнаруживающей способности при тестировании детекторов разных производителей является установление определенной массы исследуемого вещества. Клиент (или тот человек, который проводит тестирование) должны принять решение о величине массы для каждого испытуемого вещества и задать условие для тестируемого детектора в виде «фиксированной массы вещества» (например, минимальной детектируемой массы), поставляемой в систему отбора проб. Это может быть достигнуто путем приготовления раствора исследуемого вещества определенной концентрации (разбавление навески вещества до определенного объема). Проба исследуемого вещества в виде раствора может быть нанесена на салфетку, высушена и помещена в пробоотборник для твердых частиц детектора, а может быть отобрана сниффером детектора в виде паров (при контроле расхода газового потока). Использование фиксированой массы образца исследуемого вещества является критическим условием для проведения корректной оценки обнаруживающей способности сравниваемых детекторов. При указанном выше способе определения чувствительности детекторов, вторым шагом может стать оценка других их важнейших параметров, которые выражают общую способность детектировать определенные образцы веществ, обнаруживать их в реальных условиях функционирования систем.

Это общепризнанная практика оценки обнаруживающей способности детекторов, применяемая испытательными лабораториями во всем мире.

Объемные стандарты

Одной из главных проблем в технологии детектирования следов веществ является установление соотношения уровня следа и определенного объема вещества, например, наркотического средства и (или) взрывчатого вещества, оставившего этот след. После удаления вещества определнного объема из окружающей его среды в ней могут оставаться следы этого вещества в микроколичествах (остатках), а могут и отсутствовать. При этом существующая проблема детектирования веществ в парах, в тоже самое время является и потенциальным достоинством, поскольку наличие в окружающей среде паров вещества имеет гораздо большую корреляцию такого следа с присутствовавшим в данной среде веществом определенного объема (до его удаления из окружающей среды) по сравнению с остатками этого вещества в виде микрочастиц, которые могут быть случайным загрязнением, например, от предыдущего контаткта вещества с окружающей средой (предметами вещной обстановки).

Использование объемных стандартов (физических объемов веществ) в неконтролируемой среде, не принимает во внимание изменения, которые спонтанно происходят в этой среде за весь период испытаний (изменение температуры, циркуляции воздуха и т.п.), при этом они не учитывают различия в исследуемых образцах веществ, особенности пробоотбора определенных веществ и эффективность сравниваемых детекторов, подлежащих тестированию.

Таким образом, объемные стандарты лучше всего использовать при проведении полевых испытаний детекторов, когда важно оценить такие характеристики сравниваемых систем, как общую способность детектирования определенных веществ, особенности пробоотбора, распознавания и анализа. В конечном счете, именно эти характеристики определяют возможность успешного детектирования следов в полевых условиях (например, на месте происшествия).

Вместе с тем, важно обеспечить определенную связь между исследуемым веществом определенного физического объема и определенного химического состава с возможностями самой системы детектирования следов. Зная, что чувствительность детектора к различным веществам является одной из его важнейших характеристик, пользователь, анализируя этот параметр, может оценить обнаруживающую способность системы детектирования в реальных условиях.

На диаграмме представлены значения относительного давления паров наиболее распространенных ВВ. Это общепринятые данные в индустрии систем детектирования, первоначально опубликованные Sandia National Laboratories (корпорация Sandia является дочерней компанией корпорации Lockheed Martin, США) в начале 90-х годов прошлого века. Диаграмма показывает относительную легкость, с которой обнаружение паров ВВ может осуществляться в полевых условиях. Большинство ВВ в паровой фазе детектируется на уровне и выше 10 частей на миллиард (10 ppb), а в виде микрочастиц - на уровне 1 части на миллиард (1 ppb) и ниже. Это обусловливает функциональное различие между портативными детекторами паров ВВ и настольными приборами детектирования микрочастиц ВВ, применяемыми в настоящее время. В системах детектирования ВВ, ТНТ (Тротил) обычно рассматривается в качестве равновесной системы, находящейся на «границе раздела» между детектированием паров и микрочастиц ВВ. Тем не менее, многие детекторы паров ВВ могут обеспечить и достаточно высокую чувствительность при исследовании ВВ, давление паров которых значительно ниже (в 1000 раз) давления паров ТНТ, например, пластифицированных Гексогена и ТЭНа. Это обусловливает их применение в определенных ситуациях.

Соотношение данных измерений с расчетной оценкой

Принимая во внимание рассмотренные выше подходы к измерению чувствительности детекторов (на основе фиксированной массы вещества и объемных стандартов), а также на основе данных представленной диаграммы, можно осуществлять оценку функциональных особенностей (включая особенности пробоотбора и анализа) систем детектирования определенных веществ по их следам (остаткам) в реальных условиях. Использование ТНТ в качестве исследуемого образца ВВ и прибора Quantum Sniffer™ QS-H150 (QS-H150) производства Implant Sciences Corporation (США) в качестве системы детектирования следов ВВ, мы можем установить зависимость между измеренной чувствительностью детектора и его обнаруживающей способностью.

Сообщается, что чувствительность детектора ВВ QS-H150 для фиксированной массы ТНТ составляет 250 пг (пикограмм). Этот замер чувствительности осуществлен в результате непосредственного отбора массы образца ВВ в вихре всасываемого пробоотборником воздуха, осаждения микрочастиц пробы и высушивания их на чистой подложке из фольги. Минимальное определяемое количество ТНТ 250 пг устанавливается на основе способности рассматриваемой системы детектирования обеспечить отношение сигнал/шум (S/N), равным 3. Это обычная практика установления стандарта в аналитических измерениях. Пределы обнаружения Гексогена и ТЭНа находятся в аналогичном диапазоне детектирования, что и ТНТ, отличаясь на два порядка, и детектор QS-H150 может продемонстрировать обнаруживающую способность в отношении этих веществ на уровне сотни пикограммов.

Чтобы установить возможность детектирования паров ВВ в полевых условиях с гарантированной чувствительностью на уровне 250 пг – такой же, как и для микрочастиц ВВ, полезно осуществить вычисление концентрационной чувствительности для реального периода пробоотбора. В данном примере расчета мы применяем пробообтбор в течение 10 с детектором QS-H150 с расходом потока воздушной смеси 800 мл/мин. Названный детектор при этих условиях обеспечивает надежное обнаружение ТНТ.

При отборе 250 пг ТНТ в потоке воздушной смеси в течение 10 с отклик системы детектирования составляет ~2,5 пг/мл. Эквивалентная молярная концентрация при этом равна 1,0х10-14 моль/мл. Это значение получается простым делением детектируемой массы ТНТ на его молекулярную массу (227 г/моль). Анализ этих данных показывает, что использование QS-H150 для обнаружения паров ТНТ имеет достаточно высокую эффективность. Количество ТНТ на «границе раздела» (см. представленную выше диаграмму) составляет около 10 частей на миллиард (10 ppb) при непрерывном выделении паров. Это количество 10 ppb ТНТ переводится в ~100 пг/мл.

Учитывая, что QS-H150 имеет чувствительность на порядок больше указанного значения, детектирование ТНТ осуществляется довольно просто. Тем не менее, даже тогда, когда система детектирования имеет большие возможности обнаружения за пределами известного равновесия концентрации паров, применение ее в реальных условиях может быть мене эффективным, что делает обнаружения паров большой проблемой.

На последнем примере Гексогена (см. приведенную выше диаграмму) мы рассмотрим возможность применения метода для обнаружения его паров.

Равновесная концентрация паров Гексогена составляет 6 частей на триллион (6 ppt). Она приблизительно в 1000 раз ниже, чем у ТНТ. Таким образом, даже при том, что QS-H150 имеет чувствительность, сопоставимую по своему значению с минимально возможной массой детектирования микрочастиц ТНТ и Гексогена, равновесная концентрация паров Гексогена (6x10-14 г/мл) значительно ниже возможностей практически любого известного ручного детектора паров ВВ.

Тем не менее, системы детектирования, которые могут собирать микрочастицы ВВ, а затем испарять пробу в детекторный вход для анализа, могут легко обнаружить Гексоген и другие пластифицированные ВВ.

Магическая арифметика

В отдельных случаях, некоторые поставщики детекторов следов веществ заявляют их чувствительность (в пг/мл или молярных концентрациях) на основе дополнительных факторов, присущих соответствующим системам детектирования. Такие факторы, как эффективность детектора, и дальнейшее разбавление детектируемого объема в детекторах непрерывного действия (детекторах неинтеграционного типа) могут реальные значения чувствительности детектора на уровне 10-12 воспринимать, как 10-15. Как правило, это является искусственным завышением измеренной производительности системы детектирования. Относительное ухудшение уровня сигнала систем детектирования по причине потерь при отборе проб и снижения их общей эффективности, не зависят от пользователя и не должны рассматриваться при оценке производительности систем в процессе их применения. Для достижения объективной оценки эффективности функционирования систем детектирования должны быть выполнены прямые измерения чувствительности по фиксированной массе вещества.

Выводы:

Этот документ представляет результаты анализа существующих методов оценки производительности систем детектирования следов веществ.

В целом, сравнительная оценка одной из основных характеристик систем детектирования, а именно – чувствительности, должна опираться на лабораторные методы контроя и использовать исследуемые образцы с фиксированной массой.

Другие параметры сравниваемых систем детектирования, например, эффективность отбора проб веществ и количество ложных срабатываний, должны оцениваться при проведении исследований с определенными объемами веществ (парами) в полевых условиях с имитацией реальных ситуаций применения детекторов. Научно обоснованные данные были представлены наряду с произвольными подходами к установлению определенных способов отбора проб паров ВВ и их микрочастиц. Сочетание лабораторного установления чувствительности с известными подходами к оценке равновесных концентраций паров ВВ было представлено на примерере двух конкретных вешеств: ТНТ и Гексогена. И, наконец, в качестве иллюстрации, показано, как легко можно манипулировать значением чувствительности, установленным для фиксированной массы вещества, выразив ее в единицах концентрации.

Несмотря на то, что рассчетные данные полезны для оценки эффективности систем детектирования следов, они должны обязательно подтверждаться соответствующими экспериментальными измерениями. Рассчетные оценки могут иногда содержать скрытые параметры, которые выражают чувствительность непосредственно «на самом детекторе» (его чувствительном элементе) вместо чувствительности «на входе пробы», а именно она является важнее всего для оценки эффективности. В этом смысле представленное руководство придерживается принципа преимущества методов реальных измерений (пусть даже и простых) перед сложными рассчетными оценками.

Андрей Прозоров

Возврат к списку